研究数据来源于CNKI和Web of Science两大信息数据库,数据采集时间为2019年1月12日。知网以“土壤有机碳”为主题,文献类别选择“核心期刊”,检索到最早的年份是1993年,因此时间设置1993—2018年,经检索和筛选后共得到2 745篇文献。外文文献以Web of Science 数据库为数据源进行检索,选择数据库为核心合集,以“soil organic carbon”为主题,文献类型选择“Article”,时间设置1991—2018年,经检索和筛选后共得到11 648篇文献(图1)。

图1 国内外近30 a土壤有机碳研究文章数量

Citespace软件是由陈超美博士在2004年开发的,2007年首次引入中国,它可对文献的关键词、主题词、国家、机构和作者等做可视化分析,是文献计量学的重要研究手段^[4]。采用CitespaceV对CNKI和Web of Science的文献进行统计分析,并利用Origin 2018进行制图,通过分析关键词的中心性、聚类和突变强度等图谱作为其领域研究热点、前沿和趋势。

其中,中心性关键词量化点是Citespace中重要性地位的图论概念,中心性较高的关键词可体现其在关键词共现网络中的重要性,在一定程度上可反映某一领域在一定时期的研究热点^[5]。在本文的数据分析设置中,Node Type选择Keywords,Selection Criteria选取TOP N=50,Pruning选择Pathfinder,Pruning sliced networks 和Pruning the merged network,其他选择默认。

根据国内外年发文量的统计分析(图1),初步可以看出,国际土壤有机碳研究的文章数量除2004年、2005年、2015年略有下降外,总体上处于上升趋势,年均增长率为9%。国内土壤有机碳研究的文章数量一直处于稳步上升趋势(除2015年略有下降外),年均增长率为21%。从相关研究的学科交叉情况看(图2),目前国内土壤有机碳研究主要集中在农学、林学和草学,生态学、环境科学、生物学、地质学、化学和工程学也有分布; 国际则以农学、土壤科学、环境科学与生态为主要相关学科,其次是生态学、地理学、植物学、水资源科学和化学。综合来看土壤有机碳研究是一种多学科交叉的研究领域,利用多学科的交叉理论与方法来研究土壤有机碳领域的科学问题已经成为一种趋势。

1991—2000年发文量1934篇,约占总发文量的16.6%,从文献计量图谱来看,连线较多,聚类相对分散,高频次和高中心性的关键词可归纳为氮,循环,微生物量和分解4个方面(表1和图3),说明此阶段围绕着土壤有机碳的循环、分解、转化以及土壤微生物量等开展了大量的土壤有机碳动态学研究。

表1 国际土壤有机碳研究不同阶段前10位高中心性关键词

土壤有机碳的动态变化受气候、植被、母质、地形、时间等自然因素和人类活动的影响^[6]。目前以碳循环为核心的土壤有机碳的动态研究多采用模型模拟,如应用最广泛的Century模型和Roth-C模型可对不同气候和土地利用类型的土壤有机质动态进行长短期的模拟估算^[7-8]。人类活动的影响表现在农产品种植类型的选择以及轮作对土壤有机碳的动态扰动^[9]。碳储量的动态估算集中于中小尺度地形区,如Moraes等^[10]通过土壤剖面资料和数字地图估算了巴西盆地的土壤碳氮储量,Rapalee等^[11]估算了加拿大北方森林的碳储量及累积损失过程。

除此之外,微生物量与土壤有机碳的关系也颇有关注,土壤微生物是土壤有机质中最活跃的成分,涉及到土壤肥力,一定程度上控制着陆地系统生产力^[12]。微生物量碳与土壤有机碳是反映土壤有机质变化的敏感指标,可以反映气候、植被等变化下土壤有机碳的变化与平衡^[13],微生物量的增加,可促进土壤中有机碳的增加,同时微生物量碳也是陆地生态系统碳库的重要组成,是整个生态系统养分和能量循环的关键和动力^[14]。农田土壤类型以及农垦变化对土壤有机碳、微生物量和微生物活性化的影响也不可忽视^[15],免耕对土壤质量的影响较小,可使土壤中的有机碳含量和微生物量增加。

该阶段开展了较为全面的土壤有机碳动态变化的基础研究,为土壤有机碳动力学的深入研究奠定基础,但对土壤碳循环的过程与机理的综合分析不够深入,碳循环各个环节的收支平衡以及内部与外部环境的转化机制并不明确,各种碳循环模型模拟存在局限性,研究方法尚未成熟。

2001—2010年发文量3 390篇,约占总体的29.1%,年均发文量快速增加,国际土壤有机碳的研究内容日益广泛。“动态”、“氮”和“微生物量”频次持续增高,是前一阶段研究的延续。这一时期新兴的高频和高中心性关键词可归纳土地利用变化、气候变化、土壤侵蚀和土壤稳定性等方面(表1和图4)。1995年IGBP(国际地圈生物圈计划)和HDP(全球变化人文计划)联合提出了应对人类活动和全球变化间的人与生物驱动影响土地利用变化及其对社会和环境的影响的LUCC研究计划^[16],此后土地利用变化成为全球变化研究的热点课题。表明了土壤有机碳领域的研究热点由碳循环为主的动态学研究转向了全球变化为主的问题导向型研究。

图3 1991-2000年国际土壤有机碳关键词聚类知识图谱

图4 2001-2010年国际土壤有机碳关键词聚类知识图谱

这一时期的研究主题鲜明,围绕土地利用变化、全球气候变化等环境问题展开。虽然这一时期开展了大量土地利用变化的研究,但土地利用变化在土壤有机碳储量估算中存在不确定性,对土壤有机碳的动态影响机制研究也并未十分明确,今后应该注重土壤有机碳的长期动态监测,对碳循环进行定量研究,为解决当前面临的重大生态环境问题提供科学依据。

2011—2018年发文量6 324篇,约占总发文量的54.3%,这8 a的国际文章数量比肩前20 a的文章数量,表明这一阶段是国际土壤有机碳研究飞速发展的时期。文献计量图谱的节点增多且频次增高,连线减少,聚类词有所减少,表明研究内容相对集中。研究热点除继承前两个阶段对土壤有机碳的动态学和全球变化影响的研究外,出现“土壤碳储量”、“土壤呼吸”、“氮”和“耕作”等热点词(表1和图5),表明土壤有机碳的研究由全球变化等问题导向型研究转向了以农业管理为核心的土壤固碳封存研究。

为应对全球气候变化,IPCC第四次计划提出可通过农业减排固定土壤中的有机碳,2015年12 月第21届联合国气候变化大会上法国农业部长正式提出“千分之四计划”^[25],表明土壤对调节气候暖变化的极端重要性。农田土壤碳库的变化可通过人工管理进行长期或短期的调节^[26]。在全球碳库中只有农业碳库能够进行短期的调整,因此农业生产与管理在调节陆地生态系统碳封存和碳循环中发挥重要作用。此外,土壤呼吸对气候—碳循环的反馈也得到关注。土壤呼吸的温度敏感性是决定土壤有机碳对全球变暖响应的一个主要因素^[27],这是应对当今全球变化影响而派生的热点话题。土壤呼吸因受有机碳含量的间接影响而改变土壤有机碳的累积,研究土壤呼吸的变化能够有效预测土壤有机碳库的变化。

此阶段国际土壤有机碳的研究进入稳定发展时期,研究内容和研究方法逐渐形成系统体系。值得一提的是土壤有机碳的动态变化和碳储量估算等基础研究再次到重视,但与前两个阶段相比,研究方法上采用目前比较先进的人工神经网络、高光谱遥感等技术进行预测^[28-29]; 研究尺度上土壤有机碳的动态监测倾向于宏观预测与微观监测相结合^[30-31]; 碳库的研究尺度以全球或区域大尺度为主,但由于不同学者选择的区域、深度和方法不同,导致大尺度或全球范围内土壤有机碳库的估算结果差异大。

图5 2011-2018年国际土壤有机碳关键词聚类知识图谱

突变词是指一个变量的值在短期内发生巨变,是Citespace软件运用突变算法,从文献的题目、摘要、关键词以及文献记录的标志符中提取的突变术语^[32]。突变性高表明某一学科领域研究兴趣的突然增长,它通常可用来辨识和追踪学科领域的研究前沿与发展新动态。对1991—2018年国际相关文献的关键词,采用突变词检测算法得到107个的突变词,选取了前20个突变性高的关键词做为土壤有机碳研究的前沿趋势。见表2,突变时间较长的关键词是“耕种”、“吸附”和“吸附作用”。“耕种”的突现时间从1992—2010年,突变强度为67.264 9,表明了农田土壤有机碳研究一直以来都是人们关注的焦点。“吸附”和“吸附作用”两者意义相似,综合两者来看突变时间是1992—2009年,突现强度也在50以上,土壤有机碳对不同的化学物质的吸附作用,特别是对有毒物二噁英、农药的吸附。而研究较多的是土壤有机碳对菲的吸附,同时探究了土壤环境因子的变化对溶解性土壤有机碳吸附和分解的影响^[33-34]。目前,趋向2018年最新的高强度突变词有“中国”、“生物炭”和“储量”,表明了当前土壤有机碳领域的研究前沿。“中国”一词突变强度自2014年以后比较高,究其原因是2013年以后中国土壤有机碳的科研发展迅猛,以其高数量和高质量的发文特点,成为国际土壤有机碳研究发展的中坚力量。“生物炭”,在时代周刊未来20大绿色科技产品中介绍了《自然—地理科学》一项最新研究发现,生物炭可以有效抵销全球12%的碳排放量,对固碳减排起着至关重要的作用,如Hernandez等^[35]和Zhang等^[36]人通过研究,发现生物炭的添加有助土壤有机碳储存,土壤碳汇存在叠加效应。“储量”,2015年12月联合国发布了《世界土壤资源状况》土壤功能面临十大威胁报告,阐述了土壤有机碳丧失一大威胁,明确了稳定土壤有机碳储量的行动重点,表明碳储量、碳库估算等基础研究得到重视。同时印度、尼日利亚等一些发展中国家在土壤有机碳领域开展土壤有机碳储量估算与分布等基础研究工作越来越多^[37-39]。

总的来说,国际土壤有机碳领域与生物炭、碳储量和土地利用变化的相关研究有持续增加的趋势。除此之外,随着经济发展,国际合作密切,发展中国家在国际土壤有机碳研究中发挥着重要作用。

表2 1991-2018年国际土壤有机碳研究前20位突变关键词

1993—2000年是国内土壤有机碳研究萌芽时期,与国际同期相比,国内该领域文章相对较少。仅检索到24篇,因数据量少无法进行Citespace分析,但通过知网关键词聚类不难看出,这一时期的高频词集中在“全球变化”、“有机无机复合体”和“碳循环”(表3)。中国是农业大国,早期人们主要关注农田土壤有机碳变化对农业发展的影响,因此,这一时期研究的侧重点是人工管理模式下农田生态系统的土壤有机碳的变化,主要集中在不同的复熟制度和农田管理措施下土壤有机碳消长平衡,土壤理化性质及肥力变化^[41-42]。全球变化与碳循环的研究也得到关注,但早期的研究基本处于定性认识。此阶段是国内土壤有机碳领域起步时期,研究内容单一,方法简单,更多倾向于与农业发展相关的基础研究,对各碳库储量与土壤碳通量,陆地碳循环的过程规律与定量分析未能较清楚的认识,缺乏对全国土壤有机碳储量全面而详细的研究^[43]。

表3 1993-2000年国内土壤有机碳研究高频关键词

2001—2010年发文量为831篇,约占国内总体发文量的30.3%,文章数量增幅明显,图谱的聚类和节点连线比较集中,节点呈现一枝独大。研究热点可归纳为“有机碳矿化”、“分布特征”和“碳循环”(表4和图6),表明这一时期由以农业发展为主的土壤有机碳基础研究逐渐开始转向土壤有机碳的空间分布研究。

我国学者对陆地生态系统碳循环关注较多,尤其是土壤碳循环。起初主要研究草原生态系统碳循环,而后不少学者对农田生态系统的土壤碳循环机制进行探索^[44]。李凌浩等^[45]采用Century模型对内蒙古锡林河流域草原生态的碳流量和周转速度等进行估算,表明碳素输入略大于输出; 颉鹏等^[46] 通过碳转化系数对甘肃河西农田生态碳源/汇进行估算。近年来,随着3S技术的发展,宏观尺度上土壤有机碳库定量估算成为热点,通过GIS法研究土壤有机碳的空间分布特征与空间异质性越来越受到关注,如周成虎等^[47]通过第二次全国土壤普查资料和1:400万的土壤类型图绘制了中国土壤有机碳密度的空间分布图。孙维侠等^[48]和曾永年等^[49]也采用同样的方法对东北地区和黄河源地区的土壤有机碳空间分布进行了分析评价。此外,自然和人类活动对土壤有机碳矿化的影响也得到广泛关注,主要集中于对土壤有机碳矿化的影响,包括对矿化速率、强度及累积矿化量的影响。研究表明温度的增加会加速矿化,水分的增加会增大累积矿化量^[50]; 土地利用方式的转变导致有机碳含量下降,矿化速度和累积矿化量也会相应降低^[51]。

表4 国内土壤有机碳研究不同阶段前10位高中心性关键词

图6 2001-2010年国内土壤有机碳关键词聚类知识图谱

2011—2018年发文量为1 892篇,约占总体的68.9%,文章数量远超过前两个阶段,聚类和节点明显多于前一个阶段,节点之间的连线也有所增强,表明这一时期国内土壤有机碳的研究发展快速。研究热点可归纳为有机碳储量、地统计学、有机碳组分和土地利用等(表4和图7)。

图7 2011-2018年国内土壤有机碳关键词聚类知识图谱

2011—2018年是我国土壤有机碳飞速发展的重要时期,研究主题与研究热点鲜明,研究内容逐渐集中,并且在农田有机碳研究领域逐渐形成了自身的研究特色。但高科技数字化技术应用较少,研究方向虽紧跟国际前沿水平,但引导国际研究新方向的原创性研究结果较少^[60]。

采用突变词检测算法探究国内土壤有机碳科学领域发展的前沿趋势,共出现35个突变词,选取了前20位(表5)。从突变的时间序列来看最长是“碳循环”,这也验证了国内早期土壤有机碳的研究多与碳循环有关。掌握土壤有机碳库的变化机理与过程,控制土壤有机碳循环,使土壤成为有效的碳汇载体一直是气候变化与碳循环研究的重点和难点^[61]。而从最新突现词“生物炭”、“土壤有机碳组分”、“土壤微生物”、“土壤碳库”和“土壤碳库管理指数”等可以看出目前研究趋势集中在生物炭、土壤有机碳组分和土壤有机碳库管理与估算3个方面。与国际相比同在生物炭方面,开展了诸如生物炭对土壤有机碳及其矿化的影响研究^[62]。虽同样关注土壤有机碳库的变动,碳储量的估算,但对土壤有机碳组分开展了更加细致的研究。

表5 1993-2018年国内土壤有机碳研究前20位突变关键词

本文借助文献计量法对近30 a国内外土壤有机碳文献的关键词的聚类、中心性和突变性进行统计,分析国内外研究热点和前沿,对比了国内外研究差异。根据关键词的知识图谱和发文量分析表明国内外土壤有机碳的研究逐年增多,年均文献数量增幅明显,学科交叉与融合逐渐增强,高新技术和数字化手段逐渐被应用,土壤有机碳的研究框架与体系逐步完善。由于国内相关研究起步晚,与国际研究领域存在一定差距,研究热点和内容跟踪国际前沿水平,但近年来文献研究发展迅速,在追赶国际发展前沿的同时逐渐形成独具地方特色的土壤有机碳的研究体系。

总体上国内外在研究热点、尺度、问题导向及发展阶段方面存在区别与联系,具体有以下几点:(1)发展阶段,国外处于领跑,国内处于跟跑的阶段。国际土壤有机碳的研究进入稳定发展时期,而国内正处于进步发展时期。我国土壤有机碳的研究与国际存在一定差异,研究热点与研究方法跟踪国际水平,领跑国际科学前沿的研究内容较少。(2)研究热点,国外相关研究起步早,研究热点具体延续性,研究的焦点围绕着生态环境变化和全球变化的相关问题开展; 国内发展过程稍有滞后,关注的焦点为农业生产与发展相关研究,注重土壤有机碳基本特征的表征。(3)研究尺度,国际倾向于微观机制研究,近年来全球宏观大尺度研究不断涌现; 而国内更加倾向于揭示宏观特征,为政府和地方政策服务。(4)研究趋势,由于国内外研究机构的交流合作的进一步深入,目前国内外土壤有机碳的研究趋势都转向了土壤有机碳储量和农业管理为核心的土壤固碳封存的相关研究。

综合来看,我国土壤有机碳的研究整体上处于跟跑状态,在研究方法、视角和原创性稍有落后。我国是农业大国,农田土壤碳汇越来越受到关注,在未来土壤有机碳的研究中,我国应当在农田土壤固碳相关方面领跑国际前沿水平。

基于国内外各阶段研究特点的分析,发现国内外土壤有机碳的研究取得了飞速的发展,但土壤有机碳领域的发展仍存在一些不确定性,未来应该在以下几个方面加强研究:

(1)建立可靠有效的土壤有机碳储量估算技术标准与估算方法。长久以来土壤有机碳的定量估算受到估算方法、估算深度和野外监测标准不统一的影响,导致估算结果与数据间的差异较大,从而导致对区域和全球数据汇总与耦合存在困难。未来的土壤有机碳估算研究应借鉴多学科方法,结合多源数据,通过室内试验与长期野外监测,开展不同估算方法下结果的对比验证,建立可靠有效的监测标准和估算方法,以提高估算结果的精确性和可对比性。

(2)加强土壤碳循环与全球气候变化的关系研究。碳循环问题是大气圈、岩石圈、生物圈互相作用、互相影响的结果,因而需要明确碳循环的内部与外部环境相互转换机理,各环节的碳收支平衡等问题。基于此,应开展全球气候变化下的土壤碳循环的长期定位监测与观测试验,对碳循环过程进行定量化研究,为应对气候变化提供科学依据。

(3)开展不同耕作措施下农田土壤固碳潜力研究。农田土壤有机碳库可在短期内发生变化,对调节气候变化具有重要意义,一直以来我国精耕细作的农业发展方式导致土壤有机碳损失严重,因此我国农田具有更大的固碳潜力。由于土壤环境的空间异质性和区域环境的差异,难以对固碳效率进行合理评价。应该建立农田土壤固碳潜力计量体系,将宏观土壤有机碳的周转和微观土壤动态相结合,分析土壤有机碳动态变化,同时优化经营管理措施,增加土壤碳汇能力。